Фотоелектричният ефект: дефиниция, принцип и историческо значение
Фотоелектричният ефект – дефиниция, принцип и историческо значение: как фотоните и фотоелектроните разкриват квантовата природа на светлината и наследството на Айнщайн.
Фотоелектричният ефект е явление във физиката. Ефектът се основава на идеята, че електромагнитното излъчване се състои от серия частици, наречени фотони. Когато един фотон попадне върху електрон върху метална повърхност, електронът може да се излъчи. Излъчените електрони се наричат фотоелектрони. Ефектът се нарича още ефект на Херц, тъй като е открит от Хайнрих Рудолф Херц, но това наименование не се използва често. Фотоелектричният ефект е помогнал на физиците да разберат квантовата природа на светлината и електроните. Благодарение на фотоелектричния ефект е разработена концепцията за дуалността вълна-частица. Алберт Айнщайн предлага законите на фотоелектричния ефект и получава Нобелова награда за физика през 1921 г.
Основни наблюдения и експериментални характеристики
- Съществува прагова (минимална) честота на падащата светлина — ако честотата ν е по-ниска от прагова стойност ν0, фотоелектрони не се отделят независимо от интензитета на светлината.
- Максималната кинетична енергия на отделените електрони нараства линейно с честотата на падащия фотон, а не с интензитета на светлината.
- Интензитетът на светлината влияе главно върху броя на отделените фотоелектрони (тока), а не върху тяхната максимална енергия.
- С противоток (приложено спирачно напрежение) може да се определя спиращият потенциал, при който потокът на фотоелектрони спира. От този потенциал се извежда максималната кинетична енергия.
Теоретично обяснение (Айнщайн)
Айнщайн обяснява явлението, като приема, че светлината е съставена от дискретни пакети енергия — фотони. Всеки фотон носи енергия, пропорционална на честотата ν: E = hν, където h е константата на Планк. За да напусне електрон от металната повърхност, е необходимо да се преодолее енергията на връзване, наричана работна функция (φ). Формулата за максималната кинетична енергия на отделения електрон е:
E_кинетична,макс = hν − φ
Това обяснява наблюденията: ако hν < φ (ν < ν0), няма отделяне на електрони; при по-големи честоти кинетичната енергия расте линейно с ν.
Историческо значение и експерименти
- Първите наблюдения са направени от Хайнрих Рудолф Херц (края на XIX в.), който забелязва, че ултравиолетовата светлина улеснява образуването на искра между електроди.
- Допълнителни систематични изследвания и измервания на емисията са направени от Филип Ленард в началото на XX в.
- През 1905 г. Алберт Айнщайн предлага квантовото обяснение, което дава ключов импулс за развитието на квантовата теория.
- Експериментална потвърдителна проверка и точни измервания на зависимостта на кинетичната енергия от честотата са направени от Робърт Миликан и други, което допринася за измерването на константата на Планк и за приемането на идеята за квантите.
- За своето обяснение Айнщайн получава Нобелова награда за физика през 1921 г.
Практически приложения
- Фотоелектрични елементи и клетки — използвани за детектори на светлина, фотосензори и фотоклетки в академични и индустриални уреди.
- Фотокатоди и фотомултипликатори — за засилване и регистриране на слаби светлинни сигнали.
- Спектроскопия и анализ на повърхности — енергетичните спектри на фотоелектроните дават информация за електронните състояния и химичния състав на повърхности (например XPS, UPS техники).
- Соларните клетки — въпреки че практическите фотоволтаични устройства работят на основата на вътрешните електрически полета в полупроводници (фотоволтаичен ефект), разбирането на взаимодействието на светлината и заредените частици е пряко свързано с фотоелектричните явления.
Важно за запомняне
- Фотоелектричният ефект е ключово доказателство за квантовата природа на светлината и показва, че енергията се обменя на пакети (фотони).
- Основните измерими величини са прагова честота ν0, работна функция φ, максимална кинетична енергия и спиращ потенциал.
- Ефектът е фундаментален както за теорията (квантова механика), така и за редица технологии за детекция и анализ на светлина и повърхности.
Схема, която показва как електроните се излъчват от метална плоча
Механизъм
Не всяка електромагнитна вълна предизвиква фотоелектричен ефект, а само излъчване с определена или по-висока честота. Минималната необходима честота се нарича "честота на прекъсване" или "прагова честота". Честотата на прекъсване се използва за намиране на работната функция, w {\displaystyle w} 
, която е количеството енергия, задържащо електрона на металната повърхност. Работната функция е свойство на метала и не се влияе от постъпващото лъчение. Ако честотата на светлината попада върху металната повърхност, която е по-голяма от граничната честота, то излъченият електрон ще има известна кинетична енергия.
Енергията на фотона, предизвикващ фотоелектричен ефект, се определя чрез E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w} 
, където h {\displaystyle h}
е константата на Планк, 6,626×10 −34J-s, f {\displaystyle f}
е честотата на електромагнитната вълна, K E {\displaystyle KE}
е кинетичната енергия на фотоелектрона, а w {\displaystyle w} е работната функция за метала. Ако фотонът има голяма енергия, може да се осъществи Комптъново разсейване (~ хиляди eV) или производство на двойки (~ милиони eV).
Интензитетът на светлината сам по себе си не води до изхвърляне на електрони. Това може да направи само светлина с честота на прекъсване или по-висока. Въпреки това увеличаването на интензитета на светлината ще увеличи броя на излъчваните електрони, стига честотата да е над честотата на прекъсване.
История
Хайнрих Херц прави първото наблюдение на фотоелектричния ефект през 1887 г. Той съобщава, че искра прескача по-лесно между две заредени сфери, ако върху тях грее светлина. Проведени са допълнителни изследвания, за да се научи повече за ефекта, наблюдаван от Херц. През 1902 г. Филип Ленард показва, че кинетичната енергия на фотоелектрона не зависи от интензитета на светлината. Въпреки това едва през 1905 г. Айнщайн предлага теория, която обяснява напълно този ефект. Теорията гласи, че електромагнитното излъчване представлява поредица от частици, наречени фотони. Фотоните се сблъскват с електроните на повърхността и ги излъчват. Тази теория противоречи на убеждението, че електромагнитното излъчване е вълна. Затова първоначално тя не е призната за правилна. През 1916 г. Робърт Миликан публикува резултатите от експерименти с вакуумна фотоелектронна тръба. Неговата работа показва, че фотоелектричното уравнение на Айнщайн обяснява поведението много точно. Въпреки това Миликан и други учени по-бавно приемат теорията на Айнщайн за светлинните кванти. Вълновата теория на Максуел за електромагнитното излъчване не може да обясни фотоелектричния ефект и излъчването на черното тяло. Те се обясняват от квантовата механика.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява фотоелектричният ефект?
О: Фотоефектът е явление във физиката, при което електромагнитното излъчване се състои от частици, наречени фотони, и когато те попаднат върху електрони върху метална повърхност, електронът може да се излъчи, образувайки фотоелектрони.
Въпрос: Кой открива фотоелектричния ефект?
О: Хайнрих Рудолф Херц открива фотоелектричния ефект.
В: Защо фотоелектричният ефект се нарича още ефект на Херц?
О: Фотоелектричният ефект се нарича още ефект на Херц, защото е открит от Хайнрих Рудолф Херц.
В: Какво представлява дуалността вълна-частица?
О: Дуалността вълна-частица е концепция, разработена благодарение на фотоелектричния ефект, който помага на физиците да разберат квантовата природа на светлината и електроните.
В: Кой предлага законите на фотоелектричния ефект?
О: Алберт Айнщайн предложи законите на фотоелектричния ефект.
В: Какъв е приносът на фотоелектричния ефект за физиката?
О: Фотоелектричният ефект е помогнал на физиците да разберат квантовата природа на светлината и електроните, като е развил концепцията за дуалността вълна-частица и е допринесъл за законите на фотоелектричния ефект, предложени от Алберт Айнщайн, който през 1921 г. получава Нобелова награда за физика.
Въпрос: Как се наричат излъчените електрони при фотоелектричния ефект?
О: Електроните, които се излъчват от металната повърхност при фотоелектричния ефект, се наричат фотоелектрони.
обискирам